Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak 1
Pojęcie równowagi łańcuch pokarmowy równowagi fazowe równowaga ciało stałe - ciecz równowaga ciecz - gaz równowaga ciało stałe - gaz równowaga w przebiegu reakcji chemicznych dyfuzja osmoza pompa sodowo-potasowa 2
3
4
5
Równowagi w układzie jednoskładnikowym Przemiany fazowe 6
Wyróżniamy fazę stałą, ciekłą i gazową oraz różne fazy stałe (odmiany alotropowe np. szara i biała odmiana fosforu czy cyny). ciało stałe ciecz gaz 7
ciało stałe ciecz (przekształcenie lodu w wodę) 0 o C 8
9
10
ciecz gaz (przekształcenie wody w parę) 100 o C 11
parowanie wrzenie 12
Parowanie jest to proces odrywania się cząsteczek od powierzchni cieczy. Dla wody parowanie zachodzi w temperaturze t > 0 o C przy ciśnieniu 1 atm. 13
Wrzenie jest to proces wyrywania się cząsteczek z całej objętości cieczy. Dla wody wrzenie zachodzi w temperaturze t = 100 o C przy ciśnieniu 1 atm. 14
Jeżeli w ustalonej temperaturze w naczyniu zamkniętym znajduje się ciecz, to jej para wywiera pewne charakterystyczne (tylko dla tej cieczy i temperatury) ciśnienie zwane prężnością pary cieczy. Tendencja cieczy do parowania zależy od temperatury i sił oddziaływań międzycząsteczkowych w cieczy. Substancje o wysokiej prężności pary określa się jako lotne. 15
Równowaga dynamiczna między cieczą a parą szybkość parowania = szybkość skraplania (kondensacji) 16
ciało stałe gaz (przekształcenie lodu w parę) 17
p linia równowagi fazy stałej i ciekłej linia równowagi fazy ciekłej i gazowej ciało stałe ciecz punkt potrójny para Równowagę trzech faz na diagramie reprezentuje punkt zw. punktem potrójnym. linia równowagi fazy stałej i gazowej T 18
ROZTWORY GAZÓW W CIECZACH 20
21
ROZTWORY CIAŁ STAŁYCH W CIECZACH 22
23
Rozpuszczalność określa maksymalną liczbę gramów substancji rozpuszczonej w 100 g rozpuszczalnika w danej temperaturze. Roztwór zawierający substancję rozpuszczoną w ilości równej jej rozpuszczalności w danym rozpuszczalniku i danej temperaturze jest roztworem nasyconym. 24
1. Odrywanie się cząsteczek substancji rozpuszczonej od powierzchni kryształu na skutek oddziaływania z rozpuszczalnikiem. 2. Tworzenie się dziur w rozpuszczalniku (cząsteczki rozpuszczalnika odsuwają się od siebie). 3. Zapełnianie dziur w rozpuszczalniku przez cząsteczki rozpuszczone (hydratacja, solwatacja). 25
Podobne rozpuszcza podobne, ponieważ dobre rozpuszczalniki naśladują otoczenie cząsteczek substancji rozpuszczonej: ładunki cząstkowe na cząsteczkach polarnych rozpuszczalników odgrywają rolę ładunków jonowych, wiązania wodorowe zastępują wiązania wodorowe, a siły Londona wywierane przez rozpuszczalnik udają siły wywierane przez same cząsteczki substancji rozpuszczanej. 26
Rozpuszczalność zależy od: Rodzaju rozpuszczanej substancji Rodzaju rozpuszczalnika typu oddziaływań pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika i cząsteczkami substancji rozpuszczonej Temperatury 27
28
29
30
31
32
33
RÓWNOWAGA W UKŁADACH WIELOSKŁADIKOWYCH 34
STAŁA RÓWNOWAGI 35
E bariera energetyczna E a Na skutek zderzenia aktywnego powstaje produkt. substraty produkty 36
W stanie równowagi szybkość reakcji przebiegającej ze strony lewej na prawą jest taka sama jak szybkość reakcji przebiegającej ze strony prawej na lewą. W stanie równowagi stężenie substratów i produktów nie ulega zmianie. 37
A + B v 1 v 2 C + D A + B C + D v 1 = k 1 [A] [B] C + D A + B v 2 = k 2 [C] [D] w stanie równowagi v 1 = v 2 k 1 [A] [B] = k 2 [C] [D] k 1 k 2 = [C] [D] [A] [B] = K c 38
2A + 3 B C + 2D K c = [C] [D]2 [A] 2 [B] 3 Stałe równowagi zapisuje się w postaci stosunku iloczynu stężeń produktów (podniesionych do potęg równych ich współczynnikom stechiometrycznym) do iloczynu stężeń substratów (również w potęgach równych ich współczynnikom stechiometrycznym). 39
HA + H 2 O A + H 3 O + K a = [A ][H 3 O + ] [HA] BOH B + + OH K b = [B + ][OH ] [BOH] Stała dysocjacji K a (K b ) jest to stosunek iloczynu stężeń jonów powstałych w wyniku dysocjacji do stężenia cząsteczek niezdysocjowanych w stanie równowagi. 40
Stała równowagi dla danej reakcji chemicznej jest wielkością stałą w danej temperaturze, czyli zależy od rodzaju reakcji, rodzaju rozpuszczalnika w jakim zachodzi reakcja i od temperatury. Stała równowagi w roztworach rozcieńczonych nie zależy od stężenia reagentów. 41
Bi 2 S 3(s) 2 Bi 3+ (aq) + 3 S 2 [Bi 3+ ] 2 [S 2- ] 3 K c = [Bi 2 S 3(s) ] K s = [Bi 3+ ] 2 [S 2 ] 3 Iloczyn rozpuszczalności jest to stała równowagi między nierozpuszczoną solą i jej jonami w roztworze nasyconym. Iloczyn rozpuszczalności zapisujemy jako iloczyn stężeń jonów (podniesionych do potęg równych ich współczynnikom stechiometrycznym) powstałych w wyniku rozpuszczania. 42
Rozpuszczalność molowa (S) substancji jest to jej molowe stężenie w nasyconym roztworze. Bi 2 S 3(s) 2 Bi 3+ (aq) + 3 S 2 K s = [Bi 3+ ] 2 [S 2 ] 3 K s iloczyn rozpuszczalności 43
Co się stanie jeśli zakłócimy stan równowagi? Reguła przekory Le Chateliera Jeśli warunki, w których znajduje się układ będący początkowo w stanie równowagi, ulegają zmianie, stan równowagi będzie się przesuwał w takim kierunku, aby doprowadzić do przywrócenia warunków początkowych, jeśli takie przesunięcie jest możliwe. 44
N 2(g) + 3 H 2(g) 2NH 3(g) K p p p N o p 2 NH o p 3 p p 2 H o 2 3 p o ciśnienie standardowe 45
N 2(g) + 3 H 2(g) 2NH 3(g) NH 3(g) NH 3(g) K = K = H 2(g) N 2(g) H 2(g) N 2(g) 46
WNIOSEK Dodanie substratów lub usunięcie produktów z układu w stanie równowagi chemicznej powoduje przesunięcie tej równowagi w kierunku zwiększenia stężenia produktu, czyli w prawo, natomiast dodanie produktu lub usunięcie substratu powoduje przesunięcie równowagi reakcji w kierunku wzrostu stężenia substratów, czyli w lewo. 47
Rozpuszczalność jonowej substancji można zwiększyć przez usunięcie z roztworu jednego z jej jonów. AgCl (s) Ag + (aq) + Cl K s = [Ag + ][Cl ] 48
Efekt wspólnego jonu jest to zmniejszenie rozpuszczalności trudno rozpuszczalnej soli przez dodanie soli rozpuszczalnej zawierającej z nią wspólny jon. AgCl (s) Ag + (aq) + Cl K s = [Ag + ][Cl ] 49
Zawartość wody w ciele ludzkim: 10 tygodniowy płód 94% Noworodek 85 % 1 roczne dziecko 75% Dorosły człowiek 70% W wodzie rozpuszczone są sole mineralne. 50
1/3 2/3 51
Jony równowagi funkcje osmotyczna kwasowo -zasadowa nerwów mięśni tworzenie kości krzepnięcie krwi działanie mózgu praca serca inne funkcje organizmu 52
DYFUZJA 53
Stopniowe przenikanie substancji przez inną substancję, np. rozchodzenie się zapachu w powietrzu nosi nazwę dyfuzji. Mianem dyfuzji określamy ruch cząstek substancji pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy różnymi częściami roztworu. Dyfuzja przemieszczanie się materii w kierunku przeciwnym do gradientu stężenia. 54
55
OSMOZA 56
roztwór błona półprzepuszczalna rozpuszczalnik 57
Przepływ rozpuszczalnika przez błonę (membranę) do bardziej stężonego roztworu nazywa się osmozą. Jeśli błona przepuszcza tylko jeden rodzaj cząsteczek lub jonów to taką błonę nazywamy półprzepuszczalną. Na powierzchnię błony od strony rozpuszczalnika działa ciśnienie zwane osmotycznym, które jest tym większe im większa jest różnica stężeń. 58
ciśnienie hydrostatyczne = g h roztwór o gęstości h błona półprzepuszczalna ciśnienie osmotyczne = c R T rozpuszczalnik 59
Ciśnienie hydrostatyczne, które należałoby wywrzeć na roztwór, aby zapobiec osmozie, nosi nazwę ciśnienia osmotycznego roztworu. Roztwór w naczyniu wznosi się tak długo dopóki wysokość słupa cieczy h zrównoważy ciśnienie osmotyczne. 60
Im większe jest ciśnienie osmotyczne, tym wyższy musi być słup cieczy, aby zatrzymać przepływ. Ciśnienie tego słupa cieczy nazywamy ciśnieniem hydrostatycznym. Dwa roztwory mające takie samo ciśnienie osmotyczne są roztworami izoosmotycznymi. Jeżeli jeden roztwór zawiera mniej cząsteczek to jest on hipoosmotyczny (hipotoniczny) w stosunku do drugiego (wywiera niższe ciśnienie osmotyczne). Jeżeli jeden roztwór zawiera więcej cząsteczek to jest on hiperosmotyczny w stosunku do drugiego (wywiera wyższe ciśnienie osmotyczne). 61
Roztworami izotonicznymi nazywamy roztwory będące w równowadze osmotycznej po rozdzieleniu przez błonę biologiczną. 62
63
64
65
66
67
1 J Na każde uderzenie serca zużywamy około 1 J. 68
Dziękuję za uwagę 69